Ti-4.5Al-3Mo-1V钛合金管材热处理工艺试验研究

黄艳华 吕亚平 樊 凯 童 攀 张 鹏

（1.湖南金天钛业科技有限公司，湖南 常德 415000 ；2.93145 部队 ,湖南 株洲 412002）

钛合金凭借其密度低、比强度高、耐腐蚀性好、无磁性、焊接性能好等众多优异性能，广泛应用于航空、航天、舰船、化工等领域。Ti-4.5Al-3Mo-1V是苏联材料研究院于20 世纪50 年代末研制的一种低铝当量（α+β）型高强高韧钛合金。具有较好的焊接性能和加工性能，可用于制作长期使用的结构件、高压容器等零件。目前，国内关于 Ti-4.5Al-3Mo-1V合金的研究主要集中在轧制工艺对显微组织与力学性能影响、应力松弛行为及微观机理研究、单一热处理因素对组织与性能的影响等方面。该文拟采用正交试验法研究退火温度、退火时间、冷却方式3种因素对Ti-4.5Al-3Mo-1V钛合金管材室温强度、塑性、冲击性能的影响，旨在获得最优水平热处理制度，为实现该合金管材室温强度、塑性和冲击性能的综合匹配提供参考依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料的制备

试验材料采用三次真空自耗熔炼（VAR）制备成铸锭，铸锭经自由锻开坯后分别在β相区和（α+β）两相区锻造成棒坯，最后在β相区轧制成外径470mm，壁厚30mm的管材。其组织如图1所示。由图1可知 Ti-4.5Al-3Mo-1V合金为典型的网篮组织，由长条编织的α相和β转变基体组成。α相和β相间隔分布且均沿轧制方向被拉长。

图1 Ti-4.5Al-3Mo-1V管材热轧态显微组织

1.2 试验设计

采用L（3）正交设计试验研究退火温度、退火时间、冷却方式3种因素对Ti-4.5Al-3Mo-1V合金室温强度、塑性、冲击性能的影响，各试验因素的水平见表1。

表1 正交试验因素及水平

1.3 检测方法

该试验及检测均在某公司检测中心进行，热处理采用同一台箱式电阻炉SX-G36123，炉温均匀性为±3℃。具体检测方法及设备见表2。

表2 检测方法

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

各试验因素对室温强度、塑性和冲击性能的影响结果见表3~表8。根据正交试验原理，极差值越大，表明该因素对试验结果的影响程度越大。

从表3、表4数据可以得出，在该试验的条件范围内，冷却方式对合金室温强度的影响最显著，退火温度与退火时间对室温强度的影响均较小，退火温度略大于退火时间。当退火工艺参数为930℃+1h+水冷时，室温强度最高；当退火工艺参数为920℃+3h+炉冷时，室温强度最低。

表4 各因素各水平对合金室温强度的影响

从表5、表6数据可以得出，冷却方式对合金塑性的影响最大，退火温度与退火时间对塑性的影响均较小，退火时间略大于退火温度。当退火工艺参数为920℃+2h+炉冷时，塑性最优；当退火工艺参数为930℃+1h+水冷时，塑性最差。

表5 各因素各水平下合金塑性结果

表6 各因素各水平对合金塑性的影响

从表7、表8数据可以得出，冷却方式对合金冲击性能的影响最大，其次是退火时间，退火温度对合金冲击性能的影响最小。当退火工艺参数为930℃+1h+空冷时，冲击性能最优；当退火工艺参数为920℃+2h+水冷时，冲击性能最差。

表7 各因素各水平下合金冲击性能结果

2.2 各因素对性能影响的分析

从表3~表8可以看出，在该试验的条件范围内，冷却方式对合金性能的影响程度最大，随着冷却速度的加快，合金强度提高较为显著，塑性随之降低。冲击性能是强度和塑性的综合体现，空冷时合金冲击性能最优。退火时间、退火温度对合金性能的影响程度较小且两者的影响程度差距不大。

图2（a）是试验合金在930℃ 退火冷却方式为空冷时的显微组织，为典型的网篮状组织，与原始热轧态显微组织相比，两相区保温空冷后其初生α相长大，粗化。图2（b）为试验合金在930℃ 退火冷却方式为炉冷时的显微组织，由于冷却速率变慢，初生α相进一步长大，体积分数明显增大，其微观组织仍为网篮状组织。试验合金在930℃ 退火冷却方式为水冷时的显微组织如图2（c）所示，由于冷却速率较快，初生α相呈细小、长条状分布，而β转变基体中的次生α相由于冷却速率过快来不及析出，以细小的针状马氏体α'的形式析出。马氏体相内部含有大量位错，随着马氏体相的增加，表现出强度上升塑性下降的趋势。初生α相的比例随着冷却速率的降低而增加，晶粒尺寸变大，这种尺寸粗化的初生α相组织形貌提高了合金的塑性，降低了强度。水冷时合金的冲击性能最差，主要由于冷却速率较快时会产生大量α'马氏体相，马氏体相含有大量位错，对裂纹扩展的阻碍和偏转作用差，因此冲击性能差。

图2 不同冷却方式下Ti-4.5Al-3Mo-1V管材显微组织

从表3~表8可以看出，在该试验的条件范围内，在相同的冷却条件下，随着退火温度升高，强度先增高后降低，变化幅度较小；塑性无明显变化；冲击性能先增强后减弱，变化幅度较小。随着退火时间延长，强度略有降低且 2h与 3h的强度值基本接近；塑性无明显变化；冲击性能呈下降趋势，变化幅度也很小。图3中（a）、（b）、（c）分别是试验合金试样经940℃、1h，930℃、2h，920℃、3h退火空冷后的显微组织。从图中可以看出，组织形貌差异较小，这就是退火温度、时间发生变化，强度、塑性、冲击变化不大的原因。

图3 不同退火温度下Ti-4.5Al-3Mo-1V管材显微组织

表3 各因素各水平下合金室温强度结果

表8 各因素各水平对合金冲击性能的影响

2.3 热处理制度优化分析

分析退火温度、退火时间、冷却方式对合金强度、塑性、冲击性能的影响，得出获得高强度的热处理方式如下：退火温度930℃，退火时间1h，水冷。获得良好塑性的热处理方式如下：退火温度920℃，退火时间2h，炉冷。获得良好冲击性能的热处理方式如下：退火温度920℃，退火时间1h，空冷。

综上所述，在该试验范围条件范围内，冷却方式（因素3）对合金室温强度、塑性、冲击性能的影响最显著，退火温度（因素1）及退火时间（因素2）对合金强度、塑性、韧性的影响均较小且影响程度基本相当。综合考虑室温强度、塑性、冲击性能匹配，合金的最佳热处理方式如下：退火温度930 ℃，退火时间1 h，空冷。

3 结论

通过研究退火温度、退火时间、冷却方式对Ti-4.5Al-3Mo-1V合金性能的影响，得出：冷却方式对合金性能的影响最显著，退火温度和退火时间对合金性能的影响均较小。当冷却方式为空冷，退火温度为930 ℃，退火时间为1 h时，合金可获得最优的室温强度、塑性与冲击性能匹配。